Değerli Moletik okurları, bu yazımızda canlıların genel yapısının ve organların şekillenmesinin sadece biyolojik, genetik ve kimyasal etkenlerden değil, aynı zamanda mekanik kuvvet gibi etkenlerin de rol oynadığını keşfedeceğiz. Keyifli okumalar 🙂
Canlıların organlarının, bedenlerinin nasıl şekillendiği bir zamanlar sadece bir sırdı. Fakat yıllar ilerledikçe araştırmalar çoğaldı ve teknoloji gelişti. Bu sayede bilim insanları sadece biyolojik moleküllere ve genetik etkenlere odaklanmak yerine zaman içinde bir dokunun aynı zamanda fiziksel etkenler tarafından belirleneceğini de keşfettiler. Hücrelerin mekanik kuvvetleri nasıl ürettiğini, bu kuvvetleri nasıl algıladığını ve cevap verdiğini incelemeye olanak sağlayan yöntemler yakın zaman içinde geliştirilmeye başlandı.
Embriyonun Şekillenmesi
Memeli embriyolarının gelişiminde ilk gözlemlenen olay döllenmiş yumurtanın (zigotun) çoğalmaya başlamasıdır. İlk bölünmelerde hücreler bir yumru oluşturur. Daha sonrasında embriyonun şekillenmesiyle bu yumru bozulmaya başlar. Hücre topağı bir süre sonra blastosit diye adlandırılan bir yapıya dönüşür. Blastositin iç kısmında bir miktar sıvı ve hücreler, dış kısımda ise hücreyi çevreleyen bir katman oluşur.
Blastositin oluşumunu kontrol eden genetik pek çok çalışma yapılmıştı. Yakın zamanlarda bir grup araştırmacı bu süreçte yer alan mekanik kuvvetleri inceleme kararı aldı. Fransa’daki Curie Enstitüsünden Jean-Leon Maitre ve öğrencileri blastositin oluşumu sırasındaki mekanik değişimleri fareler üzerindeki deneylerinde incelediler. Şu şekilde özetliyorlar: “Blastositin içinde biriken sıvı, başlangıçta hücre topağını çevreleyen ortamdan geliyor. Dış ortamdaki sıvının basıncı, hücreleri birbirlerine yapıştıran proteinlerin arasının açılmasına neden oluyor. Bundan dolayı hücreler arasında sıvı birikmeye başlıyor.
Blastositin içindeki sıvı haznesi (lümen) bir anda oluşmuyor. Önce küçük ama çok sayıda baloncuk çıkıyor. Deneylerde bu mikrometre boyutundaki baloncukların birbirlerine senkronize halinde tekrar tekrar oluşup yok olduklarını gösteriyor. Araştırmacılar süreci detaylı bir biçimde incelediklerinde baloncukların içindeki sıvıyı yeniden hücreler arası boşluğa boşalttıklarını gözlemlemişler. Bu durum hücrelerarası bir kanalla bağlantılı iki baloncuktan birinin içindeki sıvının diğerine akması ve dolayısıyla biri yok olurken diğerinin büyümesiyle sonuçlanıyor.
Sıvının hangi yöne akacağı ise doğal olarak baloncukların içindeki sıvı basıncı tarafından belirleniyor. Bir baloncuğun içindeki sıvı basıncı, baloncuğun yüzeyindeki gerilime ve eğriliği bağlı olarak değişir. Daha küçük baloncuklar, içerisindeki sıvı basıncı daha yüksek olduğu için içerisindeki sıvıyı hücrelerarası kanallara daha hızlı boşaltıyor. Böylece birbirine bağlantılı iki baloncuktan küçük olan yok olurken büyük olan daha da büyüyor. Bu durum, hücreler arasındaki tüm sıvının zamanla tek bir baloncuğun içinde toplanması ile son buluyor.
Kalbin Oluşumu
Embriyo şekillendikten sonra yavaş yavaş iç organlar şekillenmeye başlar. Singapur Ulusal Üniversitesinde Timothy Saunders ve onun ekip üyeleri meyve sineklerinde (Drosophila) kalbin oluşumunu incelediler. BU süreçte en önemli olaylardan biri iki dokunun bir araya gelerek tüp biçimli bir yapı oluşturmasıdır. Bir araya gelen bu dokularda iki ayrı tür hücre bulunur. Kalbin birleşmesi için aynı tür hücreler birbirlerine güçlü bir şekilde tutunarak eşleşmesi gerekir. Ancak hücreler arası eşleşmeler her zaman kusursuz bir şekilde gerçekleşmez. Fakat bilimsel araştırmalar meydana gelen yanlış eşleşmelerin sonrasında düzeldiğini gösteriyor.
Saunders ve ekibinin yaptığı araştırmalar gösteriyor ki meyve sineği (Drosophila) kalbini oluşturan hücrelerde Miyozin II olarak bilinen ve işlevi kasların kasılmasını sağlayan miyozin proteinine benzeyen bir protein bulunduğu geçmiş çalışmalarda keşfedilmişti. Araştırma ekibi, eşleşmelerin (kalbi oluşturan iki hücrenin eşleşmesi) düzelmesini sağlayan şeyin bu proteinlerin sebep olduğu kasılmalar olduğunu düşündüler ve deneylerine devam ettiler. Elde edilen sonuçlar şunu gösterdi ki Miyozin II proteinleri dört dakikalık periyotlarla hücrelerin içinde ileri geri hareket ediyor ve bağlantıların kurulması-kopması olayları bu süreçle eş zamanlı gerçekleşiyor.
Aynı deney Miyozin II poroteinine sahip olmayan hücrelerle tekrarlandı ve hiçbir hareket gözlemlenemedi. Ortaya çıkan sonuç, kalp dokusunda yanlış eşleşmeler olduğu ortaya çıkarıldı. Tüm bu sonuçlar gösteriyor ki, Miyozin II proteinlerinin sebep olduğu periyodik kasılmaların yanlış eşleşmelerin düzenlenmesini sağladığı şeklinde yorumlanıyor.
Sonuç
Mekanik kuvvetlerin biyolojik süreçleri etkilediği yakın zamanlarda üzerine araştırmaların yapıldığı bir alandır. Yeni deneyler yapılmaya ve yeni yöntemler geliştirilmeye devam edildikçe bu konudaki bilgi birikimi de artacak ve henüz açıklanamayan biyolojik gelişmeler açığa kavuşacak. Bilimle kalın..
Kaynak
Dumortier JG, Le Verge-Serandour M, Tortorelli AF, Mielke A, de Plater L, Turlier H, Maître JL. Hydraulic fracturing and active coarsening position the lumen of the mouse blastocyst. Science. 2019 Aug 2;365(6452):465-468. doi: 10.1126/science.aaw7709. PMID: 31371608.
Serwane F, Mongera A, Rowghanian P, Kealhofer DA, Lucio AA, Hockenbery ZM, Campàs O. In vivo quantification of spatially varying mechanical properties in developing tissues. Nat Methods. 2017 Feb;14(2):181-186. doi: 10.1038/nmeth.4101. Epub 2016 Dec 5. PMID: 27918540; PMCID: PMC5524219.
